仿生學(xué)研究的前景資料

1、仿生學(xué)研究(ynji)的前景土木工程(tm gngchng)學(xué)院 測(cè)繪(1)班 任甲營(yíng) 11340115共三十五頁(yè)設(shè)計(jì)(shj)更 綠 的未來A greener future共三十五頁(yè) 綠是指無污染源或雖有小污染源、但能自我凈化處理的建筑或其他(qt)產(chǎn)品。它對(duì)周圍自然環(huán)境無污染或污染程度極小, 且具有適應(yīng)周圍自然環(huán)境的性能, 并對(duì)周圍自然環(huán)境的凈化、恢復(fù)具有一定的補(bǔ)償作用。共三十五頁(yè)共三十五頁(yè)Biomimicry現(xiàn)在已經(jīng)成為了進(jìn)來該領(lǐng)域?qū)W術(shù)會(huì)議的熱門話題。它作為一種新的方法論的學(xué)科，給設(shè)計(jì)、科學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域，企業(yè)甚至個(gè)人帶來了全新的思維和設(shè)計(jì)方式，就是借鑒自然界的智慧和設(shè)計(jì)法則。Biomim

2、icry來之于德語bios，意為“l(fā)ife（生命）”，和mimesis，意為“imitate（模仿）”。Biomimicry是一種基于可持續(xù)發(fā)展理念的的設(shè)計(jì)原理，通過學(xué)習(xí)和模仿經(jīng)受了悠久時(shí)間考驗(yàn)的具有優(yōu)異特性的自然界來解決人類遇到的各種問題(wnt)。Biomimicry的核心理念是在優(yōu)勝劣汰的殘酷環(huán)境中生存下來具有卓越能力的大自然，它們已經(jīng)解決了無數(shù)設(shè)計(jì)師絞盡腦汁仍無法解答的各種問題。運(yùn)用這些自然法則可以非常有效地幫助設(shè)計(jì)師解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程和產(chǎn)品策略中的各種問題，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，也是為了更好地適應(yīng)我們?nèi)祟愘囈陨娴牡厍颉９踩屙?yè)簡(jiǎn).班那斯 共三十五頁(yè)1.自組裝(z zhun) Self-a

3、ssembly 仿生體系的分子組裝是化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和材料學(xué)等交叉領(lǐng)域的一個(gè)(y )研究熱點(diǎn)，以模擬自然現(xiàn)象或生物體結(jié)構(gòu)和功能為基礎(chǔ)，用分子自組裝的手段構(gòu)建仿生或生物啟發(fā)的納米結(jié)構(gòu)化材料是其主要研究方向之一。 目前許多研究人員正利用超分子自組裝方法，構(gòu)筑具有特定物理、化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)功能組裝體，并探索其在新型功能材料、超分子藥物載體、生物界面和組織工程方面的應(yīng)用。同時(shí)，生物啟發(fā)的材料和體系、自適應(yīng)性材料、納米材料、層次結(jié)構(gòu)材料、三維復(fù)合材料和綠色材料等將成為未來先進(jìn)技術(shù)發(fā)展所關(guān)注的焦點(diǎn)。 分子仿生的理念和思路是近年來國(guó)際科技界普遍關(guān)注的一個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)，也必將在探索生物世界的奧秘、新材料合成和

4、新型功能器件的研制等方面發(fā)揮重要作用。 作為高分子領(lǐng)域一項(xiàng)新興的技術(shù)，自組裝技術(shù)發(fā)展的時(shí)間并不長(zhǎng)。由于其研究成果還有待成熟，對(duì)于絕大多數(shù)人來說，還難以感覺到這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)將對(duì)科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所產(chǎn)生的巨大推動(dòng)。共三十五頁(yè)硅元素(Si)在地殼中的豐度為28%, 是僅次于氧元素豐度第二高的元素, 同時(shí)(tngsh)也廣泛分布在生物圈中, 在所有生物中都能找到硅的存在, 其中一些生物能夠用來構(gòu)成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)(如骨骼, 主要是以二氧化硅形式)。據(jù)估計(jì), 二氧化硅是僅次于碳酸鹽的第二大量生物礦物。這種生物礦化二氧化硅主要存在于各種單細(xì)胞藻類(60 000100 000 種硅藻)、細(xì)菌、海綿(約6000 種

5、)、原生動(dòng)物如稀孔蟲目(Phaeodaria)、領(lǐng)鞭毛蟲(Choanoflagellates)、硅鞭毛蟲(Silicoflagellates)和高等植物體內(nèi)。生物體通過生物礦化過程合成二氧化硅的過程被成為生物硅化作用(Biosilicification)。其中海綿與硅藻是海洋中主要的生物硅化者。其中超過90%的海綿能夠通過生物硅化作用構(gòu)建起硅質(zhì)骨骼。生物(shngw)硅化材料共三十五頁(yè)海綿（Marine Sponge）是地球上最古老、最簡(jiǎn)單的多細(xì)胞水生動(dòng)物，也是一種營(yíng)固著生活的動(dòng)物，常附著在巖石(ynsh)、貝殼、木質(zhì)結(jié)構(gòu)、介殼或其它水生植物上。寒武紀(jì)是海綿最繁盛的時(shí)代,經(jīng)數(shù)億年的演化.通常認(rèn)

6、為現(xiàn)今的海綿主要有：尋常海綿（Dem ospongiae）、六射海綿（Hexactinellida）和鈣質(zhì)海綿（Calcarea）三個(gè)綱。海綿大部分能夠利用二氧化硅在常溫水環(huán)境下合成形狀、大小和結(jié)構(gòu)極為豐富的硅質(zhì)骨骼。共三十五頁(yè)“維納斯花籃(huln)”（Venus Flower Basket）海綿的結(jié)構(gòu)早為人們(rn men)所熟知，稱作“偕老同穴”（Euplectella aspergillum）的六射海綿，其建造精美絕倫，被譽(yù)稱“維納斯花籃”（Venus Flower Basket）。共三十五頁(yè)“維納斯花籃(huln)”（Venus Flower Basket）共三十五頁(yè)“維納斯花籃(h

7、uln)”（Venus Flower Basket）共三十五頁(yè)傳統(tǒng)納米至介孔尺度無機(jī)材料的制備需要高溫固態(tài)反應(yīng)(如大于1000C)或在強(qiáng)酸堿和較低溫度(100C200C)條件下完成濕法化學(xué)反應(yīng)。而生物硅化過程具有濃度低(一般海水原硅酸濃度低于2 mol/L、常溫(0C30C)、近中性pH(天然海水pH 值78)、產(chǎn)物形態(tài)可控(其產(chǎn)物為海綿硅質(zhì)骨針,具有種屬特異性, 是海綿種屬鑒定的重要指標(biāo))等特點(diǎn)。在海綿生物硅化過程中, 一類被稱為(chn wi)硅蛋白(Silicatein)的蛋白質(zhì)表現(xiàn)出了特殊的催化活性, 也因此得到了生物學(xué)家、化學(xué)家和材料學(xué)家的關(guān)注。生物(shngw)硅化過程共三十五頁(yè)早

8、在1994 年 Gaino 等就發(fā)現(xiàn)，硅質(zhì)骨針束能收集微弱的光沿其硅質(zhì)管傳輸給與海綿共生的海藻，供其進(jìn)行光合作用。Cattaneo-Vietti等進(jìn)一步指出了取自南極的一種長(zhǎng)的海綿骨針具有光纖作用。21 世紀(jì)初，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室則更系統(tǒng)地研究了六放海綿綱拂子偕科偕老同穴屬一種Euplectella aspergillum 的骨針的光學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)其光導(dǎo)性能非常類似于商業(yè)光纖的性能，可有效的連接光纖網(wǎng)絡(luò)。隨著近年來人們發(fā)現(xiàn)其骨骼的基本組成單位骨針具有優(yōu)異的光導(dǎo)性能和機(jī)械性能, 海綿生物硅化過程及仿生納米和微米硅質(zhì)生物材料合成的研究成為(chngwi)生物技術(shù)和材料科學(xué)的熱點(diǎn)。骨針具

9、有(jyu)優(yōu)異的光學(xué)性能和機(jī)械性能共三十五頁(yè)共三十五頁(yè)共三十五頁(yè)共三十五頁(yè)共三十五頁(yè)海綿骨針的光傳輸(chun sh)實(shí)驗(yàn)圖The experiment to transmit light through sponge spicule 共三十五頁(yè)共三十五頁(yè)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Aizenberg 博士等利用掃描電子顯微鏡（SEM）系統(tǒng)研究了海綿Euplectella 的整個(gè)骨架結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了骨針復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：其基本構(gòu)件是一根根的針狀體，而這些針狀體是由一層層同心圓狀的硅薄層及有機(jī)質(zhì)芯（中心絲）構(gòu)成（圖2）。進(jìn)一步研究表明，海綿的整個(gè)骨架是由硅納米顆粒圍繞中心絲通過分級(jí)（七級(jí)）機(jī)制自組裝而成。這種分

10、級(jí)機(jī)制形成的海綿骨架克服了玻璃物質(zhì)（SiO 2）的脆性(cuxng)，具有較大的硬度和較好的穩(wěn)定性。另外，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家還檢驗(yàn)了骨針的柔韌性，稱它耐彎，甚至打結(jié)也不會(huì)斷裂。骨針具有優(yōu)異的光學(xué)(gungxu)性能和機(jī)械性能共三十五頁(yè)跟樹木學(xué)習(xí)木材(mci)自助裝的方法Wood self-assembles: trees共三十五頁(yè)由此，我們可以(ky)想到科學(xué)家總有一天會(huì)通過研究木材細(xì)胞壁的形成原理制造出完全不用(byng)木頭的人造木材，這一點(diǎn)絕對(duì)可以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在的研究證明木材的細(xì)胞壁不是通過生物化學(xué)的方式形成的，而是根據(jù)材質(zhì)特征自發(fā)的，運(yùn)用自助裝的方式形成的?？茖W(xué)家現(xiàn)在正在仔細(xì)地研究這個(gè)過程

11、，以期望有一天可以從其他植物身上提取相應(yīng)的分子來合成人造木材。共三十五頁(yè)Nokia Morph（變形(bin xng)）2008年諾基亞也利用biomimicry技術(shù)提高其設(shè)計(jì)和技術(shù)。Tapani Ryhaenen提出了移動(dòng)電話的新概念。這款被命名為“Morph” (變形)的概念手機(jī)可作鍵盤使用，還可以彎曲起來戴在手腕上。諾基亞首次提出這種手機(jī)概念是在5年前，劍橋大學(xué)諾基亞研究中心(zhngxn)的研究人員長(zhǎng)期設(shè)計(jì)研究這款手機(jī)的原型。 共三十五頁(yè)神奇的Morph的撥號(hào)(b ho)形態(tài)共三十五頁(yè)諾基亞研究中心主管塔帕尼賴哈恩(Tapani Ryhanen)博士說，“我們希望藝術(shù)與科技結(jié)合的這款手

12、機(jī)向廣泛的手機(jī)用戶展示納米技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?。我們完成的這項(xiàng)研究基本上實(shí)現(xiàn)了安全和控制方法(fngf)開發(fā)使用新材料?！?由于采用納米纖維蛋白材料，Morph表現(xiàn)得柔軟而且透明，甚至還具有自我清潔的功能。這款概念手機(jī)無疑是科學(xué)性與藝術(shù)靈感的一次完美結(jié)合。 諾基亞表示這種納米技術(shù)手機(jī)將在2015年成為手機(jī)主流，但目前仍有技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服，首先是這種手機(jī)的供電，諾基亞現(xiàn)正在研究新的電池材料。 諾基亞Morph的音樂(ynyu)播放形態(tài)共三十五頁(yè)自我清潔納米技術(shù)也能夠創(chuàng)造移動(dòng)終端自我清潔的表面，并最終減少終端表面的侵蝕，使終端使用壽命更長(zhǎng)。納米結(jié)構(gòu)的表面，如“納米花瓣”可自然地阻擋水、污垢、甚至手印等在

13、自然系統(tǒng)下可見的物質(zhì)(wzh)。先進(jìn)的能源 納米技術(shù)使終端表面通過獲得太陽(yáng)能的“納米草”結(jié)構(gòu)成為一個(gè)自然的能量來源。同時(shí)，新型高能量密度存儲(chǔ)材料使電池變得更小更薄，也更快地充電，并且擁有更長(zhǎng)的充電周期。對(duì)環(huán)境的感知 納米傳感器使用戶能夠以全新的方式檢查周圍環(huán)境，從分析空氣污染，到對(duì)生物化學(xué)追蹤和流程的洞察。新性能可以復(fù)雜如幫助我們監(jiān)控不斷變化的環(huán)境質(zhì)量狀態(tài)，或簡(jiǎn)單如知道我們將要享用的水果應(yīng)該是在食用前清洗過的。我們?cè)谶@些方式下調(diào)整我們的環(huán)境的能力，能夠幫助我們做出關(guān)鍵的決定，以指導(dǎo)我們每日工作，并最終促進(jìn)我們的健康。共三十五頁(yè)Morph顯示了未來的移動(dòng)終端會(huì)有怎樣(znyng)的延展性和靈活性

14、，使用戶可以將他們的移動(dòng)終端轉(zhuǎn)變成不同的外形。它展示了納米技術(shù)可以提供的功能：靈活的材料選擇，透明的電子器件和可自我清潔的表面。Morph概念技術(shù)可以為移動(dòng)終端創(chuàng)造無限可能的機(jī)會(huì)：新的彈性且透明的材料與我們的生活方式更無縫地結(jié)合成為自我清潔和自我保護(hù)的透明的電子零件提供了一個(gè)全新的美學(xué)空間內(nèi)置的吸收太陽(yáng)能能量為終端充電，同時(shí)電池變得更小，續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)久、更快充電一體化的傳感器能夠使我們了解更多周圍環(huán)境，使我們能夠做出更好的選擇。共三十五頁(yè)2.二氧化碳作為(zuwi)原料 讓二氧化碳成為化工原料隨著氣候變化，溫室氣體減排成為各界的焦點(diǎn)，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署已將6月5日“2008年世界環(huán)境日”的主題確

15、定為“轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念，推行低碳經(jīng)濟(jì)”。與此同時(shí)，在化石(hush)原料價(jià)格不斷挑戰(zhàn)極限的巨大壓力下，化學(xué)工業(yè)也開始探索低碳經(jīng)濟(jì)模式，除了加緊開發(fā)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排和封存外，每年都有大量的二氧化碳被用作化工原料，一些領(lǐng)先的化工公司，如巴斯夫和帝斯曼都在加快進(jìn)入這一領(lǐng)域。共三十五頁(yè)向人類(rnli)的肺學(xué)習(xí)如何消減碳Learning from Human Lungs How to Sequester Carbon共三十五頁(yè) 清潔碳是現(xiàn)階段最有挑戰(zhàn)性的綠色能源技術(shù)。這種挑戰(zhàn)性使無人敢確定是否能成功。 一家美國(guó)新澤西州的公司(n s)，Carbozyme ，不但想挑戰(zhàn)這個(gè)領(lǐng)域，并且從人類的肺中找到了

16、答案。共三十五頁(yè) 人類肺的工作原理對(duì)新技術(shù)的研發(fā)具有很大的啟示性。 人類肺部具有3個(gè)突出的適應(yīng)性使它能夠有效地除去CO2：超薄的隔膜（多??？大概是這句話長(zhǎng)度的千分之一）；巨大的表面積（多大？假如把肺部的氣體交換表面拉平，約等于人體總表面積的70倍，相當(dāng)于一個(gè)排球場(chǎng)大?。┮约耙活愄厥獾奶妓狒富瘜W(xué)置換物，它們使CO2從我們的血液中以1000倍速度被置換出來。 Carbozyme公司參照同樣的原理開發(fā)(kif)過濾膜，成功清除了滯留在煙道里90%的CO2共三十五頁(yè)該公司還在研究其它基于模仿軟體動(dòng)物體內(nèi)碳酸酐酶成功把CO2轉(zhuǎn)化為石灰石的技術(shù)，它們可以存儲(chǔ)起來作為建筑原料。它提供(tgng)的所有產(chǎn)品

17、和服務(wù)都和“碳捕獲”有關(guān)，既適用于小型工業(yè)企業(yè)，也適用于大型企業(yè)（比如：發(fā)電廠）等等。共三十五頁(yè)3.太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換(zhunhun) Solar transformations 歐洲人一直致力于開發(fā)納米科技，希望該技術(shù)能使各國(guó)在下世紀(jì)擺脫化石燃料。他們特別對(duì)于建立全球性太陽(yáng)能電網(wǎng)有相當(dāng)大的興趣，因?yàn)殛?yáng)光始終照耀著地球。 在最近召開的歐洲科學(xué)基金會(huì)大會(huì)上，對(duì)于可持續(xù)能源中的納米科技的基調(diào)相當(dāng)清晰，即歐洲準(zhǔn)備加速發(fā)展納米科技。會(huì)議的重點(diǎn)是太陽(yáng)能，而不是風(fēng)能等其他可持續(xù)能源，這不僅因?yàn)樘?yáng)能是納米技術(shù)最適用的領(lǐng)域，而且作為化石燃料的長(zhǎng)期替代品，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換擁有最光明的前景。 美國(guó)麻省理工學(xué)院提出了一種基于病毒的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。該學(xué)院的安吉拉貝徹爾的報(bào)告介紹了這種病毒類型的細(xì)節(jié)。報(bào)告說，這種能攜帶大腸桿菌（一種噬菌體）的病毒可以在金等導(dǎo)電金屬上進(jìn)行自我包覆，利用這一點(diǎn)可以制造高容量緊湊型電池。這種系統(tǒng)還有另外的優(yōu)點(diǎn)，它可以利用病毒的自然復(fù)制能力進(jìn)行自我組裝。小空間高容量的關(guān)鍵在于病毒建造(jinzo)的納米線的微觀尺寸，這意味著在規(guī)定的容積中，可以裝進(jìn)具有更大表面積的病毒容量。共三十五頁(yè)內(nèi)容摘要仿生學(xué)研究的前景。B